早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結構。具有能將形貌和晶體結構原位觀察的兩個功能是其它結構分析儀器（如光鏡和X射線衍射儀）所不具備的。
透射電子顯微鏡增加附件后，其功能可以從原來的樣品內部組織形貌觀察（TEM）、原位的電子衍射分析（Diff），發展到還可以進行原位的成分分析（能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS）、表面形貌觀察（二次電子像SED、背散射電子像BED）和透射掃描像（STEM）。
結合樣品臺設計成高溫臺、低溫臺和拉伸臺，透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態、低溫冷卻狀態和拉伸狀態下觀察樣品動態的組織結構、成分的變化，使得透射電子顯微鏡的功能進一步的拓寬。
透射電子顯微鏡功能的拓寬意味著一臺儀器在不更換樣品的情況下可以進行多種分析，尤其是可以針對同一微區位置進行形貌、晶體結構、成分（價態）的全面分析。